Бактерии общаются подобно нейронам головного мозга

03.11.201511920

Биологи из Калифорнийского Университета Сан-Диего (University of California - San Diego, UCSD, США) установили, что бактерии, часто наблюдаемые как неподвижные организмы, в действительности имеют весьма замысловатые взаимоотношения и взаимодействуют друг с другом посредством сигнальных электрических механизмов, сходных с таковыми в головном мозге человека.

В исследовании, результаты которого опубликованы он-лайн до официального выхода в журнале Nature, ученые представляют способ, с помощью которого бактерии, обитающие сообществами, общаются друг с другом электрическим способом посредством ионных каналов.

«Наше открытие меняет представление не только о бактериях, но и о головном мозге, – говорит Гюроль Зюэль (Gürol Süel), доцент молекулярной биологии UCSD, руководивший исследовательским проектом, – Все наши органы чувств, поведение и интеллект функционируют на основе электрического взаимодействия между нейронами головного мозга посредством ионных каналов. Теперь мы установили, что бактерии используют сходные ионные каналы для сообщения между собой и преодоления метаболического стресса. Наше открытие позволяет предположить, что неврологические заболевания, инициируемые метаболическим стрессом, могут иметь древнее бактериальное происхождение и, таким образом, открыть перспективы в лечении таких патологий».

«Многое в нашем понимании электрического сигналинга головного мозга основано на структурных исследованиях бактериальных ионных каналов», – говорит Зюэль. Однако то, каким образом бактерии используют эти ионные каналы, оставалось загадкой до тех пор, пока Зюэль и его коллеги не предприняли попытку исследовать дальнюю коммуникацию между биопленками – организованными сообществами, содержащими миллионы плотно упакованных бактериальных клеток. Подобные бактериальные сообщества могут формировать структуры на поверхностях, как, например, зубной налет, высоко устойчивый к химическим соединениям и антибиотикам.

Исследовательский интерес к изучению дальнего сигналинга возник из предыдущего исследования, результаты которого были опубликованы в Nature в июле 2015 г. В ходе эксперимента выяснилось, что биопленки способны преодолевать социальные конфликты внутри бактериального сообщества, подобно человеческим обществам.

Когда биопленка, состоящая из сотен тысяч клеток сенной палочки Bacillus subtilis, разрасталась до определенного размера, защитный наружный слой клеток с неограниченным доступом к питательным веществам периодически останавливал рост, чтобы дать возможность всем необходимым соединениям, и в особенности глутамату, проникнуть к защищенному центру биопленки. Таким образом, защищенные бактерии в центре колонии оставались живыми и могли перенести атаку химических агентов и антибиотиков.

Догадка о колебаниях в росте биопленок, необходимых для дальней координации между бактериями на периферии и в центре биопленки, а также о факте конкуренции бактерий за глутамат – электрически заряженную молекулу – подтолкнула исследователей на мысль, что метаболическая координация удаленных клеток в биопленках может осуществляться за счет формы электрохимической коммуникации. Ученые отметили, что глутамат также известен участием в примерно половине активности головного мозга.

Таким образом, для проверки гипотезы ученые провели эксперимент, целью которого была оценка изменения мембранного потенциала бактерий при метаболических колебаниях.

Исследователи наблюдали колебания в мембранном потенциале, которые совпадали с колебаниями роста биопленок, и установили, что за изменения мембранного потенциала были ответственны ионные каналы. Дальнейшие эксперименты обнаружили, что колебания проводили удаленные электрические сигналы в биопленках посредством распространяющихся в пространстве волн иона натрия. Продвигаясь сквозь биопленку, эти волны координировали метаболическую активность бактерий внутри и снаружи пленки. При удалении натриевых каналов из бактериальной клетки биопленки не были способны проводить электрические сигналы.

«Как и нейроны нашего головного мозга, бактерии используют ионные каналы для сообщения друг с другом через электрические сигналы, – говорит Зюэль, – Кажется, бактериальные сообщества в биопленках взаимодействуют подобно «микробному мозгу».

Зюэль добавляет, что особый механизм, посредством которого бактерии сообщаются друг с другом, удивительно похож на процесс в головном мозге, известный как кортикальная распространяющаяся депрессия, предположительно, имеющая отношение к мигреням и эпилептическим приступам.

«Интересно, что и мигрени, и электрический сигналинг бактерий, открытый нами, запускаются метаболическим стрессом. Это позволяет предположить, что многие лекарственные препараты, изначально разработанные для лечения эпилепсии или мигрени, могут быть так же эффективны в поражении бактериальных биопленок, которые становятся все большей проблемой по всему миру из-за их устойчивости к антибиотикам», – отмечает Зюэль.

По материалам University of California - San Diego

Оригинальная статья:
Arthur Prindle, Jintao Liu, Munehiro Asally, San Ly, Jordi Garcia-Ojalvo, Gürol M. Süel. Ion channels enable electrical communication in bacterial communities. Nature, 2015; DOI: 10.1038/nature15709


Ваш комментарий:
Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Чтобы оставить комментарий, необходимо авторизоваться.
Вернуться к списку статей